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第三节金属晶体本讲稿第一页，共三十八页TiTi金属样品金属样品本讲稿第二页，共三十八页 一一、金属共同的物理性质金属共同的物理性质容易导电、导热、有延展性、有金属光泽等。容易导电、导热、有延展性、有金属光泽等。金属为什么具有这些共同性质呢金属为什么具有这些共同性质呢?二、金属的结构二、金属的结构问题：问题：构成金属的粒构成金属的粒子有哪些？子有哪些？本讲稿第三页，共三十八页组成粒子：组成粒子：金属阳离子和自由电子金属阳离子和自由电子金属离子和自由电子之间的较强作金属离子和自由电子之间的较强作用用 金属键金属键“有阳离子而无阴离子有阳离子而无阴离子”是金属独有的特性。是金属独有的特性。作用力：作用力：金属单质中不存在单金属单质中不存在单个分子或原子。个分子或原子。本讲稿第四页，共三十八页金属晶体：金属晶体：通过金属键作用形成的单质晶体通过金属键作用形成的单质晶体常温下，绝大多数金属单质和合常温下，绝大多数金属单质和合金都是金属晶体，但汞除外，因金都是金属晶体，但汞除外，因汞在常温下呈液态。汞在常温下呈液态。金属晶体的熔沸点差别较大。金属晶体的熔沸点差别较大。熔化时破坏的作用力：熔化时破坏的作用力：金属键金属键金属阳离子半径越小，所带电金属阳离子半径越小，所带电荷数越多，金属键越强，熔沸荷数越多，金属键越强，熔沸点越高，硬度越大。点越高，硬度越大。本讲稿第五页，共三十八页练习下列说法错误的是（）A、镁的硬度大于铝B、镁的熔沸点低于钙C、镁的硬度大于钾D、钙的熔沸点高于钾AB本讲稿第六页，共三十八页练习 下列四中有关性质的描述，可能是金属晶体的是（）A、有分子间作用力结合而成，熔点很低 B、固体或熔融态易导电，熔点较高 C、由共价键结合成网状晶体，熔点很高 D、固体不导电，熔融态也不导电，但溶于水后能导电B本讲稿第七页，共三十八页 金属键的成键微粒：金属键的成键微粒：金属阳离子和自由电子。金属阳离子和自由电子。存存 在于金属单质和合金中。在于金属单质和合金中。金属键的特征：自由电子可以在整块金属中自由金属键的特征：自由电子可以在整块金属中自由 移动，因此移动，因此金属键没有方向性和饱和性。金属键没有方向性和饱和性。金属键金属键金属键的本质：金属键的本质：“电子气理论电子气理论”(自由电子理论自由电子理论)金属原子脱落来的价电子形成遍布整个晶体的金属原子脱落来的价电子形成遍布整个晶体的“电子气电子气”,被所有原子所共用，从而把所有的原子维系在一起。被所有原子所共用，从而把所有的原子维系在一起。本讲稿第八页，共三十八页【讨论讨论1 1】金属为什么易导电？金属为什么易导电？在金属晶体中，存在着许多自由电子，这些自由电在金属晶体中，存在着许多自由电子，这些自由电子的运动是没有一定方向的，但子的运动是没有一定方向的，但在外加电场的条件在外加电场的条件下下自由自由电子电子就会就会发生定向运动发生定向运动，因而形成电流，所以金属容易，因而形成电流，所以金属容易导电。导电性随温度升高而降低。导电。导电性随温度升高而降低。晶体类型晶体类型离子晶体离子晶体金属晶体金属晶体 导电时的状态导电时的状态导电粒子导电粒子水溶液或水溶液或熔融状态下熔融状态下晶体状态晶体状态自由移动的离子自由移动的离子自由电子自由电子比较离子晶体、金属晶体导电的区别：比较离子晶体、金属晶体导电的区别：三、金属晶体的结构与金属性质的内在联系三、金属晶体的结构与金属性质的内在联系1、金属晶体结构与金属导电性的关系、金属晶体结构与金属导电性的关系本讲稿第九页，共三十八页【讨论讨论2 2】金属为什么易导热？金属为什么易导热？自由电子在运动时经常与金属离子碰撞，引起两自由电子在运动时经常与金属离子碰撞，引起两者能量的交换。当金属某部分受热时，那个区域里者能量的交换。当金属某部分受热时，那个区域里的自由电子能量增加，运动速度加快，通过碰撞，的自由电子能量增加，运动速度加快，通过碰撞，把能量传给金属离子。把能量传给金属离子。金属容易导热，是由于金属容易导热，是由于自由电子运动时与金属自由电子运动时与金属离子碰撞把能量从温度高的部分传到温度低的离子碰撞把能量从温度高的部分传到温度低的部分部分，从而使整块金属达到相同的温度。，从而使整块金属达到相同的温度。2、金属晶体结构与金属导热性的关系、金属晶体结构与金属导热性的关系本讲稿第十页，共三十八页【讨论讨论3 3】金属为什么具有较好的延展性？金属为什么具有较好的延展性？晶体受外力作用时，晶体中的各原子层就晶体受外力作用时，晶体中的各原子层就会发生相对滑动，但不会改变原来的排列方式，会发生相对滑动，但不会改变原来的排列方式，弥漫在金属原子间的电子气可以起到类似轴承弥漫在金属原子间的电子气可以起到类似轴承中滚珠之间润滑剂的作用，所以在各原子层之中滚珠之间润滑剂的作用，所以在各原子层之间发生相对滑动之后，仍可保持这种相互作用，间发生相对滑动之后，仍可保持这种相互作用，因而即使在外力作用下，发生形变也不断裂，因而即使在外力作用下，发生形变也不断裂，因此，金属有良好的延展性。因此，金属有良好的延展性。3、金属晶体结构与金属延展性的关系、金属晶体结构与金属延展性的关系本讲稿第十一页，共三十八页4 4、金属晶体结构具有金属光泽和、金属晶体结构具有金属光泽和颜色颜色p由于由于自由电子可吸收所有频率的光，然后很快释自由电子可吸收所有频率的光，然后很快释放出各种频率的光放出各种频率的光，因此绝大多数金属具有银白，因此绝大多数金属具有银白色或钢灰色光泽。而某些金属（如铜、金、铯、色或钢灰色光泽。而某些金属（如铜、金、铯、铅等）由于铅等）由于较易吸收某些频率的光而呈现较为特较易吸收某些频率的光而呈现较为特殊的颜色殊的颜色。p当金属成粉末状时，金属晶体的当金属成粉末状时，金属晶体的晶面取向杂乱、晶面取向杂乱、晶格排列不规则晶格排列不规则，吸收可见光后辐射不出去，所，吸收可见光后辐射不出去，所以成黑色。以成黑色。本讲稿第十二页，共三十八页小结：三种晶体类型与性质的比较小结：三种晶体类型与性质的比较晶体晶体类类型型原子晶体原子晶体分子晶体分子晶体金属晶体金属晶体概念概念作用力作用力构成微粒构成微粒物物理理性性质质熔沸点熔沸点硬度硬度导电导电性性实实例例金金刚刚石、二氧化硅、晶体石、二氧化硅、晶体硅、碳化硅硅、碳化硅 Ar、S等等Au、Fe、Cu、钢钢铁铁等等相邻原子之间以共价键相结相邻原子之间以共价键相结合而成具有空间网状结构的合而成具有空间网状结构的晶体晶体共价键共价键原子原子很大很大很高很高无（硅为半导体）无（硅为半导体）分子分子分子间以范德华分子间以范德华力相结合而成的力相结合而成的晶体晶体范德华力范德华力很低很低很小很小无无通过金属键形成的晶通过金属键形成的晶体体金属键金属键金属阳离子和自由金属阳离子和自由电子电子差别较大差别较大差别较大差别较大导体导体本讲稿第十三页，共三十八页1.1.金属晶体的形成是因为晶体中存在（金属晶体的形成是因为晶体中存在（）A.A.金属离子间的相互作用金属离子间的相互作用B B金属原子间的相互作用金属原子间的相互作用 C.C.金属离子与自由电子间的相互作用金属离子与自由电子间的相互作用 D.D.金属原子与自由电子间的相互作用金属原子与自由电子间的相互作用2.2.金属能导电的原因是（金属能导电的原因是（）A.A.金属晶体中金属阳离子与自由电子间的金属晶体中金属阳离子与自由电子间的 相相互作用较弱互作用较弱 B B金属晶体中的自由电子在外加电场作用下可发金属晶体中的自由电子在外加电场作用下可发生定向移动生定向移动 C C金属晶体中的金属阳离子在外加电场作用下可金属晶体中的金属阳离子在外加电场作用下可发生定向移动发生定向移动 D D金属晶体在外加电场作用下可失去电子金属晶体在外加电场作用下可失去电子 练习练习CB本讲稿第十四页，共三十八页3.3.下列叙述正确的是（下列叙述正确的是（）A.A.任何晶体中，若含有阳离子也一定含有阴任何晶体中，若含有阳离子也一定含有阴离子离子B B原子晶体中只含有共价键原子晶体中只含有共价键 C.C.离子晶体中只含有离子键，不含有共价键离子晶体中只含有离子键，不含有共价键 D D分子晶体中只存在分子间作用力，不含有其他分子晶体中只存在分子间作用力，不含有其他化学键化学键4.4.为什么碱金属单质的熔沸点从上到下逐渐降低，为什么碱金属单质的熔沸点从上到下逐渐降低，而卤素单质的熔沸点从上到下却升高？而卤素单质的熔沸点从上到下却升高？B练习练习本讲稿第十五页，共三十八页石墨能导电的原因：这是因为石墨晶体中存在自由电子，可以在整个碳原子的平面上运动，但是电子不能从一个平面跳跃到另一个平面，所以石墨能导电，并且沿层的平行方向导电性强。这也是晶体各向异性的表现。石墨中微粒间的作用：石墨中微粒间的作用：碳原子间存在共价键和金属键，层与层之间存在范德华力石墨属于哪类晶体？石墨属于哪类晶体？石墨为混合键型晶体本讲稿第十六页，共三十八页资资料料金属之最金属之最熔点最低的金属是熔点最低的金属是-汞汞熔点最高的金属是熔点最高的金属是-钨钨密度最小的金属是密度最小的金属是-锂锂密度最大的金属是密度最大的金属是-锇锇硬度最小的金属是硬度最小的金属是-铯铯硬度最大的金属是硬度最大的金属是-铬铬最活泼的金属是最活泼的金属是-铯铯最稳定的金属是最稳定的金属是-金金延性最好的金属是延性最好的金属是-铂铂展性最好的金属是展性最好的金属是-金金本讲稿第十七页，共三十八页 金金 属属 晶晶 体体（第二课时）本讲稿第十八页，共三十八页三、金属晶体的原子堆积模型三、金属晶体的原子堆积模型 由于金属键没有方向性，每个金属原子由于金属键没有方向性，每个金属原子中的电子分布基本是球对称的，所以可以把中的电子分布基本是球对称的，所以可以把金属晶体看成是由直径相等的圆球的三维空金属晶体看成是由直径相等的圆球的三维空间堆积而成的。间堆积而成的。1、理论基础：、理论基础：本讲稿第十九页，共三十八页堆积原理：堆积原理：组成晶体的金属原子在没有其他因素影响时，在空间的排列大都遵循紧密堆积原理。这是因为金属键没有方向性，因此都趋向于使金属原子吸引更多的其他原子分布于周围，并以紧密堆积方式降低体系的能量，使晶体变得比较稳定。本讲稿第二十页，共三十八页紧密堆积：紧密堆积：微粒之间的作用力，使微粒间尽可能的相互接近，使它们占有最小的空间。空间利用率：空间利用率：空间被晶格质点占据的百分数。用来表示紧密堆积的程度。配位数：配位数：在密堆积中，一个原子或离子周围距离最近且相等的原子或离子的数目。本讲稿第二十一页，共三十八页2 2、二维堆积、二维堆积I I 型型II II 型型配位数为配位数为4 4配位数为配位数为6 6密置层密置层非密置层非密置层1234123456本讲稿第二十二页，共三十八页（1 1）.简单立方堆积：简单立方堆积：4、金属晶体基本构型、金属晶体基本构型 非最紧密堆积，空间利用率低（非最紧密堆积，空间利用率低（52%52%）配位数是配位数是 个个.只有金属（只有金属（PoPo）采取这种堆积方式）采取这种堆积方式6本讲稿第二十三页，共三十八页（2 2）钾型）钾型-体心立方堆积体心立方堆积：这种堆积晶胞是一个体心立方，每个这种堆积晶胞是一个体心立方，每个晶胞每个晶胞含晶胞每个晶胞含 个原子，空间个原子，空间利用率不高（利用率不高（68%68%），属于非密置层），属于非密置层堆积，配位数为堆积，配位数为 ，许多金属许多金属（如（如NaNa、K K、FeFe等）等）采取这种堆积方采取这种堆积方式。式。28本讲稿第二十四页，共三十八页123456 第二层对第一层来讲最紧密的堆积方式是将球对准第二层对第一层来讲最紧密的堆积方式是将球对准 1，3，5 位。位。(或对准或对准 2，4，6 位，其情形是一样的位，其情形是一样的)123456AB，关键是第三层，对第一、二层来说，第三层可以有两种最紧密的关键是第三层，对第一、二层来说，第三层可以有两种最紧密的堆积方式。堆积方式。思考：密置层的堆积方式有哪些？思考：密置层的堆积方式有哪些？本讲稿第二十五页，共三十八页金属晶体的两种最密堆积方式金属晶体的两种最密堆积方式镁型和铜型镁型和铜型（3 3）镁型和铜型）镁型和铜型镁型镁型铜型铜型本讲稿第二十六页，共三十八页123456123456镁型镁型123456 第三层的另一种排列方式，是将球对准第一层每一个球，第三层的另一种排列方式，是将球对准第一层每一个球，于是于是每两层形成一个周期每两层形成一个周期，即，即 AB AB 堆积方式。堆积方式。本讲稿第二十七页，共三十八页 下图是镁型紧密堆积的前视图下图是镁型紧密堆积的前视图ABABA123456本讲稿第二十八页，共三十八页123456123456铜型铜型 第三层的另一种排列方第三层的另一种排列方式，是将球对准第一层的式，是将球对准第一层的 2，4，6 位，不同于位，不同于 AB 两层两层的位置，这是的位置，这是 C 层。层。412356本讲稿第二十九页，共三十八页123456此种立方紧密堆积的前视图此种立方紧密堆积的前视图ABCAABC 第四层再排第四层再排 A，于是形成，于是形成 ABC ABC 三层一个周期。三层一个周期。得到面心立方堆积。得到面心立方堆积。配位数配位数 12。(同层同层 6，上下层各上下层各 3)下图是铜型型紧密堆积的前视图下图是铜型型紧密堆积的前视图ACBACBA本讲稿第三十页，共三十八页镁型镁型123456789101112 这种堆积晶胞空间利用率高（这种堆积晶胞空间利用率高（74%74%），属于最），属于最密置层堆集，配位数为密置层堆集，配位数为 ，许多金属，许多金属（如（如MgMg、ZnZn、TiTi等）等）采取这种堆积方式。采取这种堆积方式。12本讲稿第三十一页，共三十八页1200平行六面体平行六面体六方紧密堆积六方紧密堆积本讲稿第三十二页，共三十八页123456铜型铜型本讲稿第三十三页，共三十八页铜型铜型本讲稿第三十四页，共三十八页本讲稿第三十五页，共三十八页本讲稿第三十六页，共三十八页本讲稿第三十七页，共三十八页堆积方式堆积方式晶胞类型晶胞类型空间利用空间利用率率配位数配位数实例实例面心立方面心立方最密堆积最密堆积堆积方式及性质小结堆积方式及性质小结简单立简单立方堆积方堆积体心立方密体心立方密堆积堆积六方最密六方最密堆积堆积面心立方面心立方六方六方体心立方体心立方简单立方简单立方74%74%68%52121286Cu、Ag、AuMg、Zn、TiNa、K、FePo本讲稿第三十八页，共三十八页